基于通用处理器的的LTE-PUSCH解调和解扰的设计与实现毕业设计论文.doc

本 科 毕 业 设 计（论文）题目: 基于通用处理器的lte-pusch解调和解扰的设计与实现 姓 名 高扬 学 院 信息与通信工程学院 专 业 通信工程 班 级 07111 学 号 070336 班内序号 25 指导教师 胡春静 2011年 6 月基于通用处理器的lte-pusch解调和解扰的设计与实现摘要随着社会的飞速发展，作为高新技术产业之一，移动通信行业竞争日趋激烈。为了提高市场竞争力，2004年底，3gpp启动了lte项目。作为“准4g技术”，lte已在人们的不断研究中发展和完善，成为3gpp的主流竞争力。而lte系统的结构与功能的设计也成为lte项目的研究重点，它的实现与其实际性能关系到这项技术是否能真正应用于实践。本课题主要研究了lte系统物理上行共享链路（pusch）中，解调和解扰两个模块的设计与算法实现，及其实际性能。鉴于lte-pusch中解调模块和解扰模块都属于比特级处理部分，算法较为简单，本课题主要研究了软解调模块的简化算法及这两个模块的编程实现，并且在多种配置条件下测试其功能实现的正确性，在此基础上进一步优化模块性能。本论文主要是在通用处理器平台上完成解调和解扰模块的编程实现，并在不影响其正确率的情况下优化程序，达到提高模块性能的目的。本文首先介绍了lte系统的背景和技术指标，以及选题的主要任务和研究思路。第二部分描述了lte-pusch中相关模块的结构及功能划分，解调和解扰模块在其中的位置及功能，以及在通用处理器平台上软解调模块和解扰模块实现算法的相关知识。第三部分研究了软解调模块和解扰模块的具体设计思路与实现过程。第四部分主要分析了模块的性能，提出了提高模块性能的可行性方法，并通过实际测试验证各优化方法对模块性能的影响。最后对研究课题进行了总结及展望。关键词pusch软解调解扰llr优化design and implementation for lte-pusch demodulation anddescrambling based on general -purpose processorabstractwith the rapid development of society, as a high-tech industry, the competition in the wireless communication intustries is becoming increasingly fierce.in order to improve the competitiveness of market, in the end of 2004, 3gpp lte project started. as the quasi-4g technology, lte has been always developing and improving with peoples continuous researches, and now, lte has become the main section of 3gpp.to lte system, the design of its structure and function has become a more important thing. its implementation relate to the actual performance of this technology in life.in this paper, i mainly studied the demodulation and descrambling of the lte-pusch, and the design and implementation of this two modules. in view of that the algorithm of lte-pusch demodulation and descrambling modules is simple, they are bit-processing section, the main topic of this paper is about a simplified method of soft-demodulation module and the implementation of these two modules, and also tested the correctness of its function in a variety of configurations conditions, on this basis, to optimize these modules performance.this reserch is on the general purpose processor platform, to complete the design and implementation of demodulation and descrambling module programming, and search the optimization of the procedures in the case of not affect their accuracy to achieve the purpose of improving the module performance. this paper introduces the lte system, its background and technical features, as well as the main task of topic and research ideas.the second part describes the lte-pusch in the relevant division of the structure and function modules, the location and function of demodulation and descrambling parts in lte-pusch channel, then introduces the general-purpose processor platform and in this platform the implementation about the soft-demodulation algorithm and the descrambling parts.the third part is about the specific design ideas and implementation process of the soft demodulation and the descrambling modules.part iv analyzes the performance of this two parts, proposes some feasible methods to improve the performance of program, then tests the performance of the optimizations.finally, the article gives a conclusion and prospect.key words pusch soft-demod descramble llr optimize目录第一章引言11.1 选题的背景11.1.1 lte项目背景简介11.1.2 lte系统主要技术特征21.1.3 lte技术发展情况概述31.2 选题主要任务及研究思路5第二章研究内容综述62.1 pusch相关知识62.1.1 pusch介绍62.1.2 pusch相关模块结构及功能划分62.2 通用处理器相关概述72.3 课题的主要内容82.3.1 软解调模块82.3.1.1 软判决与硬判决82.3.1.2 log-map llr算法82.3.2 解比特加扰模块92.3.2.1 加解扰的意义92.3.2.2 扰码的产生92.3.2.3 解扰的原理10第三章模块设计与具体实现113.1 软解调模块设计及具体实现113.1.1 软解调模块具体设计思路及过程113.1.2 函数输入输出133.1.3 函数具体实现流程143.1.3.1 qpsk软解调过程143.1.3.2 16qam软解调过程143.1.3.3 64qam软解调过程143.2 解比特加扰模块设计及具体实现153.2.1 解比特加扰模块具体设计思路及过程153.2.2 函数输入输出163.2.3 函数具体实现193.2.3.1 扰码生成函数具体实现193.2.3.2 解扰判断函数具体实现19第四章功能测试及性能优化204.1 功能测试204.1.1 测试基本方法204.1.2 解调模块功能测试204.1.3 解扰模块功能测试214.2 优化的相关知识234.2.1 simd编程及sse指令集概述234.2.2 优化常用工具vtune244.2.3 优化的意义和一般方法264.3 具体性能分析及优化264.3.1 软解调模块程序优化264.3.1.1 基本sse指令语句优化264.3.1.2 max-log-map算法274.3.1.3 qpsk的饱和处理294.3.1.4 16qam的sse指令调序304.3.1.5 makefile自带优化指令334.3.1.6 软解调各阶段优化效率比较334.3.2 解扰模块程序优化354.3.2.1 基本sse指令优化354.3.2.2 扰码函数异或指令优化364.3.2.3 解扰判断sse指令优化374.3.2.4 合并循环的sse指令优化384.3.2.5 make file内自带优化-o2394.3.2.6解比特加扰各阶段优化效率比较39第五章总结及展望415.1 工作总结及心得体会415.1.1 工作总结415.1.2 心得体会415.2 后续研究展望42ii北京邮电大学本科毕业设计(论文)第一章 引言 1.1 选题的背景1.1.1 lte项目背景简介社会在发展，人类在进步。作为高新技术产业之一，通信行业的发展速度一直令人不能小觑。随着移动通信的蓬勃发展, 全球无线通信呈现出移动化、宽带化和ip 化的趋势, 移动通信行业竞争日趋激烈。正当全球微波接入互操作（wimax）技术以令人惊讶的速度迅猛崛起之时，为了和wimax ,wi2fi 等新兴的无线宽带技术竞争, 提高3g 在新兴宽带无线接入市场的竞争力，同时摆脱qualcom的cdma约束，在2004年12月召开的3gpp ran第26次全会上，3gpp正式通过了utran技术的长期演进（long term evolution，lte）的研究立项，以实现3g技术向b3g和4g的平滑过渡。这项受人瞩目的技术和第3代合作伙伴2（3gpp2）的超移动带宽技术被统称为“演进型3g”（e3g）。但只要对这项技术稍加了解就会发现，这种以正交频分复用（ofdm）为核心，并且是在原有的3g 框架内进行的技术，与其说是3g技术的“演进”，不如说是革命1。它和umb，wimax，电气和电子工程学会的802.20移动带宽频分双工/移动带宽时分双工等技术，由于已经具有某些第4代通信技术的特征，甚至可以看作“准4g”技术。超过现有的有线接入技术的性能，并且实现降低成本的目标。3gpp启动lte项目的表面原因是应对wimax标准的市场竞争，但其深层次原因是移动通信与宽带无线接入（bwa）技术的结合。传统通信产业和传统的it产业不约而同地认识到无处不在的移动因特网市场的重要性，通过mobile internet平台，运营商可以在任何时间、任何地点满足用户对宽带ip多媒体数据业务的需求。由于宽带无线接入和宽带移动通信从不同方向向同一市场渗透，使两种技术的界线变得越来越模糊，呈现融合的趋势。为了使3gpp标准相对其他无线标准保持长期的优势，同时为了满足新型企业业务需求，第三代合作伙伴计划（3gpp) 在2004年年底开始不遗余力地投入了lte技术的标准化工作。为了能和可以支持20mhz带宽的wimax技术相抗衡，lte也必须将最大的系统带宽从5mhz扩展到20mhz。为此，3gpp不得不放弃长期采用的码分多址（cdma）技术（cdma技术实现5mhz以上大带宽时复杂度过高），选用新的核心传输技术，即ofdm/fdma技术。在无线接入网（ran）结构层面，为了降低用户面延迟，lte取消了重要的网元（rnc）。在整体系统架构方面，和lte相对应的系统框架演进项目则推出了崭新的演进型分组系统架构。以lte/sae项目则推出了崭新的演进型分组系统架构。以lte/sae为标志的这次革命使系统不可避免地丧失了大部分和3g系统的后向兼容性。也就是说，lte系统虽然可以部署于3g的现有频谱，但从网络侧和终端侧都要做大规模的更新换代。因此很多公司实际上将lte干脆看作b3g技术范畴。lte(long term evolution,长期演进)项目是3g的演进，lte并非人们普遍误解的4g技术，而是3g与4g技术之间的一个过渡，是3.9g的全球标准,它改进并增强了3g的空中接入技术，采用ofdm和mimo作为其无线网络演进的唯一标准。在20mhz频谱带宽下能够提供下行100mbit/s与上行50mbit/s的峰值速率。改善了小区边缘用户的性能，提高小区容量和降低系统延迟。1.1.2 lte系统主要技术特征3gpp对lte项目的工作大体分为两个时间段：2005年3月到2006年6月为si(studyitem)阶段，完成可行性研究报告；2006年6月到2007年6月为wi(workitem)阶段，完成核心技术的规范工作。在2007年中期完成lte相关标准制定(3gppr7)，在2008年或2009年推出商用产品。人类的每一步前进都会有阻力和动力，就lte目前的进展来看，lte研究阶段（si）延迟了3个月，于2006年9月完成；而工作阶段（wi）也延迟了一年半，到2008年底才基本完成。但经过3gpp组织的努力，lte系统取得的成绩也是令人瞩目而可喜的。lte采用由nodeb构成的单层结构，这种结构有利于简化网络和减小延迟，实现了低时延，低复杂度和低成本的要求。与传统的3gpp接入网相比，lte减少了rnc节点。名义上lte是对3g的演进，但事实上它对3gpp的整个体系架构作了革命性的变革，逐步趋近于典型的ip宽带网结构。3gpp初步确定lte的架构也叫演进型utran结构(e-utran)。接入网主要由演进型nodeb(enb)和接入网关(agw)两部分构成。agw是一个边界节点，若将其视为核心网的一部分，则接入网主要由enb一层构成。enb不仅具有原来nodeb的功能外，还能完成原来rnc的大部分功能，包括物理层、mac层、rrc、调度、接入控制、承载控制、接入移动性管理和inter-cellrrm等。node b和node b之间将采用网格(mesh)方式直接互连，这也是对原有utran结构的重大修改。lte的应运而生要求它必须成为一个有竞争力的b3g宽带无线业务提供手段。因此，lte系统的设计主要考虑如下几个总体目标2：（1）降低每比特成本；（2）扩展业务的提供能力，以更低的成本、更佳的用户体验提供更多的服务；（3）灵活使用现有的和新的频段；（4）简化架构，开放接口；（5）合理的终端功耗。同时，为了实现一个高数据率、低延迟、为分组业务优化的系统，需要完成以下工作：（1）在空中接口物理层方面，支持灵活的传输带宽，引入新的传输技术和先进的多天线技术；（2）在空中接口层2/层3方面，对信令设计进行优化；（3）在ran架构方面，确定优化的ran架构和ran网元之间的功能划分；（4）优化rf设计。在tr25.913中，定义了对lte系统的需求指标，主要几点如下：（1）峰值数据速率：峰值数据率20mhz系统带宽下，下行瞬间峰值速率100mbit/s（频谱效率5bit/hz），上行瞬间峰值速率50mbit/s（频谱效率2.5bit/hz）；（2）频谱效率：在真实负载的网络中，下行频谱效率为r6 hsdpa的34倍；上行频谱效率为r6 hsupa的23倍；（3）控制面延迟：从驻留状态转换到激活状态的时延小于100ms；（4）控制面容量：每个小区在5mhz带宽下最少支持200个有效用户；（5）用户面延迟：零负载（单用户、单数据流）、小ip分组条件下单向时延小于5ms；（6）用户吞吐量：下行每兆赫兹平均用户吞吐量为r6 hsdpa的34倍；上行每兆赫兹平均用户吞吐量为r6 hsupa的23倍；（7）移动性：为015km/h低速移动优化，15120km/h高速移动下实现高性能，在120350km/h（在某些频段甚至应支持500km/h）下能够保持蜂窝网络的移动性；（8）覆盖：吞吐率、频谱效率和移动性指标在半径5km以下的小区中应全面满足，在半径30km的小区中性能可有小幅下降，不应排除半径达到100km的小区；（9）频谱灵活性：支持不同大小的频谱尺寸，从1.420mhz；支持成对和非成对频谱中的部署；支持基于资源整合（resource aggregation）的内容提供，包括一个频段内部、不同频段之间、上下行之间、相邻和不相邻频带之间的整合。由于lte重新定义了空中接口和核心网络，摒弃了cdma技术而采用ofdm技术，只支持分组域，使得lte与已有3gpp各版本标准不兼容，现有3g网络很难平滑演进到lte，如果要部署lte需要大规模的网络升级，部署成本比较高。从历史规律来看，从标准成熟到规模商用，一般要34年时间，2009年3月lte标准冻结并批准，因此可以预计在2012-2013年以后lte才具备规模商用的条件。从产业链的角度来看，目前lte网络侧设备和终端尚未成熟，特别是终端方面可能成为lte发展的瓶颈，支持lte，wcdma双模的终端预计在2012年才能推出。考虑到运营商投资和回报的平衡，无线接入网将会是eutran和geran/utran并存的场景，geran/utran仍然保持二级架构，eutran采用扁平化架构，随着多模基站的推出，lte的enodeb可以和nodeb，bts采用共站址的方式。1.1.3 lte技术发展情况概述目前，移动无线技术的演进路径主要有三条：一是wcdma和td-scdma，均从hsdpa演进至hsdpa+，进而到lte；二是cdma2000沿着ev-do rev.0/rev.a/rev.b，最终到umb（motorola最近提出的新方案是，cdma2000也通过一定方式演进到lte，3gpp2也基本放弃了umb的计划）；三是802.16m的wimax路线。这其中lte拥有最多的支持者，wimax次之。lte是由爱立信、诺基亚西门子、华为等世界主要电信设备生产商开发的技术，cdma阵营的阿尔卡特朗讯和北电网络也有投入。cdma近年来日渐失势，阿尔卡特朗讯就曾冲减了大笔与cdma技术标准相关的资产，并和日本nec建立研发lte的合资公司。而美国高通公司由于在3g时代占据了技术的核心专利，lte阵营处心积虑搞ofdm绕开高通主要技术，可以肯定高通的地位会比3g时代有所削弱；同时，尽管高通的umb技术乏有问津，但该公司也在lte领域不肯放松，高通在该领域仍保持收益。lte项目启动以来，标准制定工作进展很快。尤其是最近几年，3gpp加快了lte的标准化工作。一方面是由于无线新技术的逐步完善已基本可以实用化，更主要的是由于现有的包括3g在内的移动通信网络已经逐渐不能满足用户的需求。3gpp于2009年3月发布了lte r8（release8）版本的fdd-lte和tdd-lte标准，r8版本为lte标准的基础版本，原则上已完成了lte标准草案，lte进入实质研发阶段；于2010年3月发布第二版（release 9），r9版本为lte的增强版本，主要增加了支持多流beamforming、embms、son、home enb等新功能。在核心网侧，2009年底已具备满足商用网络基本要求的核心网设备，并在第一个 fdd-lte 商用网络中成功应用3。2009 年底，teliasonera在斯德哥尔摩、奥斯陆中心城区部署了lte网络，该网络成为第一个商用的lte网络。目前，全球多家主要电信运营商公布了自己的lte 部署计划，包括英国沃达丰、日本ntt docomo、美国at&t和verizon， telstra，teliasonera等都明确表示将支持lte， 并且verizon 已经加速了lte 计划表，使得时间从原定的2010 年提前至2009 年。作为日本最大的运营商nttdocomo 也加紧“super 3g”网络商用部署推进lte 进程，并公布了3g 过渡到lte 的路线图，2010 年初完成了对lte 技术的开发。而按用户数量和市值计算，中国移动都是全球最大的移动运营商。中国移动的加入，更加大力推动lte技术的发展，沃达丰ceo阿伦萨林(arun sarin)曾在巴塞罗那的移动世界大会表示，该集团将与中国移动和verizon携手推进lte技术，lte将成为行业未来发展的明确方向。根据全球移动设备供应商协会（globalmobile suppliers association，gsa）2010年6月7日发布的evolution to lte report报告显示，至2010年6月，已有33个国家和地区的80个运营商承诺部署lte网络。预计2012年底将有45个lte网络开通。这些数据一方面说明全球移动通信领域的竞争已经开始向下一代网络技术转移，另一方面也说明全球lte发展进程正在加速，越来越多的运营商开始关注与布局移动通信网络的技术演进。lte在后3g时代也将延续2g时期gsm的主流地位。我国从2005年开始推动lte的tdd方案即lte tdd2方式的研究并被3gpp接受，之后由我国大力推动并通过多方努力，两种tdd方式已经融合为一种即td-lte。tdlte也被同时确定为td-scdma标准的后续演进技术，它td-scdma 技术优势和产业基础，是我国新时期科技创新的又一重大成果，确立了中国在新一轮信息产业国际标准和产业竞争中的重要地位，得到了中国政府及国内外产业的广泛支持。lte-advanced（lte-a）是lte的演进版本，其目的是为满足未来几年内无线通信市场的更高需求和更多应用，满足和超过imt-advanced的需求，同时还保持对lte较好的后向兼容性。2008年6月，3gpp完成了lte-a的技术需求报告，提出了lte-a的最小需求：下行峰值速率1gbit/s，上行峰值速率500mbit/s，上下行峰值频谱利用率分别达到15mbit/s/hz和30mbit/s/hz。随着越来越多的关注，lte技术的更多深层次提高和发展也会不断出现，不断前进。1.2 选题主要任务及研究思路本课题主要研究的是pusch（物理上行共享信道）的解调和解扰的模块设计及功能实现，这两个模块属于lte系统中上行链路比特级处理部分。研究的主要对象是解调和解扰两个模块的设计及功能，具体内容为模块的分析、设计，及编程实现其功能并优化性能。研究过程中，主要围绕pusch信道各模块结构与功能划分，在vc环境下用c语言编程实现模块功能，以及在linux系统平台下测试并优化性能等几个方面进行。第一章主要介绍lte系统及其技术发展概况，选题的主要内容及研究思路。第二章主要从pusch中各模块结构与功能划分、基于通用处理器平台的设计思路、解调和解扰两个模块相关知识等方面介绍课题的主要任务。从解调和解扰模块各自的功能、在系统中的位置和意义，以及这两个模块的算法等方面介绍课题研究的实际意义与具体内容。第三章主要分别介绍两个模块相关的重要前提知识及算法，并给出模块各自的设计分析，具体c语言的编程实现。用流程图及代码段说明设计实现的思路，并进行功能测试。第四章主要是在linux系统环境下对模块进行性能分析，并实际测试效率进行优化效果比对，一步步优化程序，完善设计。第五章对论文工作进行总结，提出不足和收获，以及以后在选题相关方面需要的进一步的优化提高等一些展望。第二章 研究内容综述2.1 pusch相关知识2.1.1 pusch介绍物理层技术是无线通信系统的基础与标志。3gpp经过激烈的讨论, 决定lte 采用下行正交频分多址( ofdma) , 上行单载波频分多址( sc- fdma) 的方式。3gpp将编号36的标准号分给lte，lte系统物理层相关技术规范包括：ts36.201对物理层进行总体描述；ts36.211定义了上下行物理信道、参考信号、介绍了无线帧结构、调制方式、如何产生ofdm和sc-fdma信号等；ts36.2124协议主要介绍了信道编码、交织、速率匹配、复用等；ts36.213对物理层过程进行介绍；ts36.214描述了lte物理层的测量。lte系统定义了3种上行物理信道: 物理随机接入信道（prach）、物理上行共享信道（pusch）、物理上行控制信道（pucch）。本选题研究的物理上行共享信道（pusch）中解调和解扰模块，就属于lte系统上行链路中的比特级处理模块部分。pusch用于传输业务数据，多ue共享，通过媒体接入控制(mac)调度器来进行调度。2.1.2 pusch相关模块结构及功能划分上行物理信号在传送之前需要经过加扰、调制、预编码、资源块分配、sc- fdma信号产生等处理。在协议ts36.212中，主要介绍以下几个模块：（1）传输块crc：输入24位crc校验码，生成多项式crc24a；（2）crc编码块分割：再加一次24位crc校验码，生成多项式crc24b，若第一次crc码块长度6144；（3）信道编码：turbo编码，1/3码率，qpp(quadrature permutation polynomial)交织器；（4）速率匹配：包括以turbo块为单位的频域交织及根据harq的冗余版本对数据进行打孔或重复；（5）加入控制信息：包括控制信息的信道编码（1/3卷积码、线性分组码）。控制信息与数据满足时分的关系。而协议ts36.211则介绍物理信道、调制方式、帧结构等，相关部分模块见图2-1.信道交织比特级加扰扰码序列调制sc-fdma信号产生传输预编码dftre映射图2-1 pusch信道处理流程图（1）比特级交织：将上行控制信息按规定得位置映射到数据序列内后，进行行进列出交织，将一个传输块相邻载波映射到不同的ofdm符号内；（2）比特级加扰：扰码为寄存器长度31的golden序列,初始状态与小区的,用户的及时隙号有关；（3）调制：采用qpsk, 16qam、64qam；（4）dft变换：上行单载波传输；（5）资源块的映射：包括数据的子载波映射，并对导频信号做相同的子载波映射，导频与数据满足时分的关系；而pusch的解调译码流程则经过解调、解扰、解码块级联、解速率匹配、harq合并、turbo译码、解码块分割、解传输块crc等处理5。解调比特级解扰扰码序列解交织idft解速率匹配解复用图2-2 pusch信道解调译码流程图2.2 通用处理器相关概述dsp（数字信号处理芯片）、通用处理器和嵌入式处理器是三种代表性的体系结构。在设计原理上都是一样的，应用上各具特点，所以结构功能有所不同。dsp为快速处理数字信号而设计，结构上数据，地址总线分开，数据的吞吐量更大。指令集的设计多考虑信号处理。cpu主要是完成指令的处理，外围接口是独立设计的，像存储器，总线控制器是独立的，没有集成到cpu中。而应用在嵌入式平台，如mcu（微控制器），它的外围接口是集成在一起的。一颗芯片就能完成。通用处理器属于复杂指令集计算机（cisc）体系结构，如intel的pentium和amd的athlon处理器。嵌入式处理器都是精简指令集计算机（risc）体系。其中arm处理器占了很大一部分市场份额，主要包括如下几个系列：arm7、arm9、arm10、arm11、xscale。cisc和risc是cpu指令集的两种架构。其中，risc充分发掘并运用了80/20法则（cisc指令集中只有大约20%的指令被反复使用），要求指令规整、对称和简单，在并行处理性能上明显优于cisc，可以使处理器流水线高效地执行，使编译器更易于生成优化代码。在通用处理器中，以c程序为载体实现上行链路将极大地加速设计、开发工作。每个功能的实现都需要结合整个上行链路，重点考虑各个子模块自身处理的特点去进行设计。由于通用处理器有自身的运行特点，在做相关设计、代码编写工作时，需要充分将这些因素考虑在内，形成科学的设计思路。这样才能充分发挥出通用处理器的强大处理能力，并能将最终的实现尽可能优化，以较低的成本完成目标功能。以前的研究都是在芯片等硬件上直接做设计的，而本课题中基于通用处理器平台的设计，指的就是通过电脑用户界面，在cpu（中央处理器）上，用软件进行的设计。2.3 课题的主要内容2.3.1 软解调模块2.3.1.1 软判决与硬判决在接收端的解调和译码过程中，根据对接收码元处理方式的不同，可以分为硬判决译码和软判决译码两种。传统上一般认为最佳接收机应设计为：解调器首先对调制输入符号做出最佳判决，然后将此硬判决结果送给译码器，译码器再对其做一个最佳判决，以纠正解调器可能发生的错误判决，这样得到的就是硬判决译码。单独的解调操作（即硬解调操作）是根据当前接收信号，判决发送信号中的某一个元素。硬解调操作的输出是某个元素或者是该元素对应的比特序列。在这样的硬判决译码方案中，调制解调与信道编码是独立的。但事实上如果解调器能送给译码器一个关于“调制器不同输入符号可能性”的似然信息序列，或未量化的输出，让译码器将这些信息与编码信息综合在一起作出判决，则系统性能可以得到较大提高。这样的译码方式就是软判决译码。两种解调过程大同小异，基本思想就是采用相关解调。两种判决检测方式各具优点，但当强干扰存在，且发送有用信号功率保持不变的条件下，硬判决检测(hard decision detection)可获得比软判决检测(soft decision detection)更好的误码率性能。但是现在广泛使用的turbo码和ldpc码的译码器需要的输入是对应每个比特取值为0（或为1）的概率或者该概率的单调函数。一般为简化译码器操作，使用对数似然比llr，这就需要解调操作的输出不是二进制序列而是每个比特取值为1(或为0)的概率，这就是软解调。lte系统pusch信道中，解调模块传输的是软信息，为了保证译码的准确性，译码采用log-map算法，其入口参数为似然比值（软信息），所以在调制时采用软解调，而不是传统的硬判决。2.3.1.2 log-map llr算法软解调模块涉及到的主要算法为log-map（对数最大后验概率）log likelihood ratios (llrs)，即计算对数似然比，也就是llr值。对数似然比的公式为：（式2-1）其中，是接收到的星座点是“0”的概率之和，是接收到的星座点是“1”的概率和。这里，（式2-2）其中，是接收到的数据点，是基准星座点，是信号的噪声功率。所以，llr等式也变换为：（式2-3）其中 是星座图中待定比特判为“1”的点的位置，而是待定比特为“0”的点在星座图中的位置。这种算法称为最优算法，即为log-map算法。由于原始符号映射的关系，可以利用一个最佳的简化式，即计算每个比特的llr值时，只需要考虑包含其相关比特信息的那条轴。即每一位的判决都只由星座图中的一条轴决定。这项措施大大减少了执行过程的复杂性，大概达到了50%，并且几乎没有性能损耗和误差。另一个最佳简化式是算法jacobian（雅克比算法），即：（式2-4）jacobian算法用于迭代计算三个或者更多数据的指数之和，利用它，代入式（2-3）llr原始公式中，即可得到计算llr值的一种简化算法。pusch中（物理上行共享信道）主要采用qpsk、16qam 和64qam三种调制方式。因为调制阶数越高，系统性能越差，所以上行链路调制一般阶数较低。解调与调制互为逆过程，所以可以根据协议中调制的过程作为参考，来完成解调模块的设计与算法实现。qpsk、16qam 和64qam三种调制方式的映射表见附表1，附表2，附表3。2.3.2 解比特加扰模块2.3.2.1 加解扰的意义设计数字通信系统时，通常假设信源序列是随机序列，而实际信源发出的序列不一定满足此条件，尤其出现长0串时，给接收端提取定时信号带来一定困难。通常，数字通信系统中接收端的码元同步信号是从接收到的数字信号的“0”和“1”的交变时刻中提取的，如果数字信号序列中经常出现长游程（0或1游程），则将会长时间不出现“0”和“1”码元的交变点，从而影响码元同步的建立和保持。因此希望传送的数字信号序列中不出现长游程，也不存在周期性分量，因为这些周期分量的不同频率的谐波会由于电路中的非线性而产生交调干扰6。为解决上述几个问题，通常会对信源序列进行扰码处理，以使其随机化。在接收端再把加扰后的序列用同样的扰码序列解扰处理，恢复原有的信源序列。扰码可以减少连“0”或连“1”长度，保证接收机能提取到位定时信号。使加扰后的信号频谱更能适合基带传输，有时候也是保密通信的需要。2.3.2.2 扰码的产生扰码为寄存器长度为31的随机golden序列，其初始状态与小区的,用户的及时隙号有关。根据协议ts36.211，此处所求伪随机序列长度为mpn，它的生成是由以下公式定义的：（式2-4）其中，nc=1600，n=0,1,mpn-1. 第一个m序列是由下式（式2-5）得到的，第二个31位长的m序列则是由下式得出。（式2-6）在pusch中，扰码初始信息：（式2-7）来自上层控制信息。得出x1(n)，x2(n)，n=0,1,30后，再根据公式（2-4）得出所求扰码序列。2.3.2.3 解扰的原理通常，系统中会利用加扰解扰技术。在发送端用扰码器来改变原始数字信号的统计特性，而接收端用解扰器恢复出原始数字信号。按照协议的规定生成扰码序列，并以此序列对接收到的数据流进行解扰7。接收数据流通常是有符号的软信息，因此解扰时，根据扰码序列中的比特1或0对数据流进行改变正负性或者不变。解扰与加扰各自都是互为逆运算的关系，所以可根据协议中对加扰的描述来作为解扰的参考，完成比特级解扰模块的设计与算法实现。第三章 模块设计与具体实现3.1 软解调模块设计及具体实现3.1.1 软解调模块具体设计思路及过程本模块实现软解调功能。支持qpsk、16qam、64qam三种调制方式。输入为复数符号，来自idft模块的输出；输出为软比特，输出到descrambling（解扰）模块。软解调基本算法为log-map（对数最大后验概率），计算每个符号的llr（log likelihood ratio 对数似然比）。上文提到（参见式（2-3），最优算法log-map llr公式如下：（式2-3）其中，是接收到的数据点，是基准星座点，是信号的噪声功率。这里，可以查询协议ts 36.211中给出的qpsk、16qam、64qam三种调制方式的映射关系8，可以在vc中编写c语言。qpsk对应2个llr值，16qam对应4个llr值，64qam对应6个llr值。所以程序功能重点在于求各调制方式下的llr值。编程过程中，将每种方式映射值与llr一一对应，将解调各种情况用列举法编入程序，进行判决。如qpsk、16qam方式解调主要代码段如下：图3-1 qpsk方式解调主要代码段图3-2 16qam方式解调主要代码段不难看出，这种方法实施十分麻烦。调制阶数越高，算法越冗繁，性能越差。64qam方式解调代码更加繁琐，加上一些辅助函数及判断调制方式函数等，使得程序十分冗杂。追根究底，是由于式（2-3）中的llr值计算公式运算繁琐造成的。故后来改变算法，利用式（2-4）中的公式，即jacobian算法（雅克比算法），来简化llr计算公式：（式2-4）jacobian算法用于迭代计算三个或者更多数据的指数之和，是log-map的一种优化算法，大大简化了编程工作，而且使得程序具有更好的可读性。整体流程图及接口结构为：图3-3 解调模块整体流程图图3-4 模块接口结构图3.1.2 函数输入输出（1）输入控制信息格式：demod_info *ctrl_demod：来自上行调度控制信息的指向结构体类型的指针，具体定义在头文件enbrxdemod.h中；typedef structuint16_ttype_mod;/调制方式:1 qpsk,2 16qam,3 64qam uint16_t num_symb;/子帧中符号, 实部和虚部分离开(twice)uint16_t snr;/信噪比，siga2demod_info;（2）输入数据格式：输入数据存储在全局数组out_idftn_max_datasym内，可直接对其调用、赋值等操作。数组中先放输入复数符号的实部，再放虚部，一个复数符号占2个数组元素长度。数组类型为sint16_t，定义在头文件basictype.h中，为16位有符号整型。（3）输出数据格式：输入数据存储在全局数组out_demodn_max_databit内，可直接对其赋值，供下一模块调用。数组中一个软比特信息占一个数组元素长度。数组类型为sint8_t，定义在头文件basictype.h中，为8位有符号整型。（4）函数输入输出：void enbrxdemod(demod_info *ctrl_demod)表3-1 解调函数接口定义名称类型（tbd）i/o描述数据流out_idftsint16_ti待处理数组空间out_demodsint8_to处理后的数据空间控制流type_moduint16_ti调制方式num_symbuint16_ti输入的符号数snruint16_ti信道的信噪比3.1.3 函数具体实现流程3.1.3.1 qpsk软解调过程图3-5 qpsk软解调过程3.1.3.2 16qam软解调过程图3-6 16qam软解调过程3.1.3.3 64qam软解调过程图3-7 64qam软解调过程3.2 解比特加扰模块设计及具体实现3.2.1 解比特加扰模块具体设计思路及过程本模块实现比特解扰功能。此模块主要分为两个功能函数，分别完成扰码序列的生成和解扰的功能。首先按照协议的规定生成扰码序列，并以此序列对接收到的数据流进行解扰。接收数据流通常是有符号的软信息，因此解扰时，根据扰码序列中的比特1或0对数据流进行改变正负性或者不变。首先按照前文中2.3.2.2的扰码产生算法，产生加扰序列。扰码为寄存器长度为31的随机golden序列，其初始状态与小区的，用户的及时隙号有关。然后按照下面规则（式3-1）进行解扰。即利用前面生成的扰码序列对输入数据流进行判断，若扰码序列对应位为1，则输入序列取反输出；若扰码序列对应位为0，则输入序列对应位不变输出。整体流程图为： ny从上层得到输入控制信息（扰码初始信息c_int及序列长度m_bit）和输入数据out_demod调用扰码生成函数common_gold_gen生成扰码序列gold_seqmpn解扰函数enbrxdescrambling，根据扰码序列对输入数据out_demod 进行判断，解扰对应扰码位为1对应数据取反 out_demodtempidx= -out_demodtempidx对应数据不变out_demodtempidx= out_demodtempidx解扰序列out_demod生成调用c_int, m_bit结束开始图3-8 解比特加扰模块整体流程图3.2.2 函数输入输出（1）输入控制信息格式：ctrl *ctrlindescram：来自上层的指向含控制信息的结构体的指针，具体定义见头件；typedef struct ctrl /控制信息结构体 uint32_t c_init;/输入数据的控制信息uint32_t m_bit;/输入数据长度ctrlindescram;图3-9 解扰模块输入控制信息格式（2）输入数据格式：sint8_t *out_demod：指向解扰模块输入数据序列的指针，其数组长度为一个子帧中pusch占用的re数，.n_max_databit图3-10 解扰模块输入数据格式（3）输出数据格式sint8